Дипломная работа (бакалавр/специалист) на тему Экологические проблемы акватории Волгоградского водохранилища

Содержание:

Содержание
Введение 3
Раздел 1. Влияние русловых водохранилищ на экологическое состояние рек: отечественный и зарубежный опыт 5
1.1. Характеристика изменений физико-химических параметров 6
1.2. Характеристика изменений биоразнообразия 15
Раздел 2. Экологические проблемы прилегающих наземных природных комплексов 32
2.1. Изменения и деградация береговой линии водохранилища 33
2.2. Влияние Волгоградского водохранилища на режим грунтовых вод в населенных пунктах 39
Раздел 3. Экологические проблемы водной экосистемы 45
3.1. Качество воды в Волгоградском водохранилище 46
3.2. Деградация флоры и фауны Волгоградского водохранилища 48
3.3. Евтрофикация и её последствия 50
Заключение 56
Список использованной литературы 58

Введение:

Развитие любого населенного пункта невозможно без водных ресурсов, поэтому так сложилось исторически, что города и села в основном располагались на берегах водных объектов, в частности рек. Характер взаимоотношений людей с водной экосистемой определял аспекты дальнейшего существования поселения. С этих позиций, качество развития Волгоградской области находится в неразрывном единстве с состоянием экосистемы р. Волга и определении её ключевых экологических проблем в контексте устойчивого развития.
Реалиями сегодняшнего дня является то, что состояние многих рек России ухудшается: длиннее становятся периоды эвтрофикации, снижается качество воды, растут уровни заиливания, чаще наблюдаются заморы рыбы. Все это является результатом антропогенного воздействия, в том числе, вследствие забора речной воды для использования в хозяйственной деятельности.
На законодательном уровне нормативными актами, а также оперативными действиями государственных органов управления в сфере использования водных ресурсов пытаются влиять на негативные явления, которые могут возникнуть во время водопользования. Однако, недостаточная эффективность управления водными ресурсами объясняется многими причинами, среди которых значительна отсутствие научного обоснования пределов безопасного хозяйственного использования воды. Именно этим фактом, во многом, объясняется актуальность данного исследования.
Кроме этого, на региональном уровне нет ни одного документа, который бы четко определял систему действий для обеспечения сохранения и устойчивого использования водных ресурсов р. Волга и Волгоградского водохранилища, в частности.
Исходя из этого, целью дипломной работы является установление экологических проблем Волгоградского водохранилища, как искусственно созданного и «чужого» элемента в функционировании водной экосистемы реки Волга.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
 проанализировать факторы, которые влияют на качество воды по физико-химическим и гидробиологическим показателям и последствия сооружения и эксплуатации русловых водохранилищ для экосистемы реки;
 изучить экологические проблемы эндогенного и экзогенного характера прилегающих к Волгоградскому водохранилищу территорий;
 охарактеризовать экологические проблемы экосистемы Волгоградского водохранилища с точки зрения качества воды и изменения биоразнообразия.
Объектом дипломной работы является экосистема Волгоградского водохранилища.
Предмет исследования – экологические проблемы Волгоградского водохранилища.
Научная новизна дипломной работы заключается в обобщенной анализе гидрологических, гидрохимических, гидрофизических, гидробиологических, геологических и социально-экономических трансформаций, происходящих как непосредственно в Волгоградском водохранилище, так и на прилегающих к нему территориях.

Заключение:

В результате выполнения дипломной работы было установлено, что создание и эксплуатация Волгоградского водохранилища характеризуются рядом негативных явлений и процессов, наблюдаемых как непосредственно в водной среде, так и в прилегающих районах.
Установлено, что наиболее острая экологическая проблема Волгоградского водохранилища связана с деградацией ихтиологического комплекса реки, особенно миграционных путей осетровых: на сегодняшний день количество нерестилищ снизилось в 10 раз, по сравнению с периодом до зарегулирования, и составляет 100 га. Причинами данного явления следует считать ухудшения качества воды, уменьшение скоростного режима течения реки, неэффективность работы рыбоподъемника (достигнуто только 10% от проектных показателей).
Актуальной проблемой эксплуатации Волгоградского водохранилища является эрозия берегов, на укрепления которых тратятся большие деньги: габионами – не менее 200 тыс. рублей за 1 м. п. Таким образом, подобные технические мероприятия возможны только в черте населенных пунктов, которые могут пострадать от оползней и подмывания берегов. Укрепить все берега водохранилища на сегодняшний день представляется невозможным.
Установлено, что в связи с заполнением водохранилища уровень грунтовых вод начал повышаться с разной скоростью и интенсивность на 20-25 км прилегающих к нему территориях. В данный момент это приводит к заболачиванию некоторых населенных пунктов, проседанию домов и засолению сельскохозяйственных угодий.
Качество воды в Волгоградском водохранилище, с точки зрения рыбохозяйственных нормативов, ухудшается, что связано с накоплением в водном объекте большего количества органических веществ. Это влияет не только на ценность воды как пищевого ресурса человека, но и на естественные уровни продуктивности, которые также снижаются.
Явление эвтрофикации в Волгоградском водохранилище также имеет место быть и в перспективе его интенсивность будет усиливаться, что связано с аккумулированием органических веществ в водоеме. В отношении сезонной продолжительности, принимая во внимание изменения климата, можно предположить об увеличении периода «цветения» воды.
Оценивая Волгоградское водохранилище с точки зрения энергетической эффективности, по показателю удельной площади подтопления, можно утверждать о не оптимальности проектного решения в отношении размещения гидротехнического объекта на равнинном участке р. Волга. Это доказано том, что на 1 МВт мощности необходимо создать 1,2 км2 водного зеркала, имеющим под собой объем воды высотой 15 м.
Резюмируя проведенное исследование, можно заключить, что количество экологических проблем, сопряженных с эксплуатацией Волгоградского водохранилища, навряд ли будет уменьшено. Вполне возможно, что они будут разрастаться как по сферам влияния, так и по качеству проявления.
На данном этапе развития, можно только уменьшить интенсивность экологических проблем, поскольку ликвидация непосредственно искусственного водного объекта представляется практически невозможной.

Фрагмент текста работы:

Раздел 1. Влияние русловых водохранилищ на экологическое состояние рек: отечественный и зарубежный опыт

Естественный режим стока в подавляющем большинстве случаев отличается значительной неравномерностью и находится в резком противоречии с режимом его потребления большинством отраслей народного хозяйства. Из всех возможных способов удовлетворения растущих потребностей человека в воде, наиболее распространенным стало зарегулирования стока водохранилищами, в которых задерживается чрезмерный природной сток в периоды, когда он превышает и потребность и используется накопленный запас, когда спрос больше притока.
Для объективной оценки работы водохранилища необходимо определить и сравнить с существующими факторы его прямого и опосредованного воздействия на экосистему реки и прилегающие районы.
Прямое влияние проявляется, главным образом, в постоянном затоплении определенной площади земель, находящихся выше плотины, ряде негативных явлений для водного хозяйства: в зоне водохранилищ резко уменьшается проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для возникновения застойных зон. Наличие водохранилища является серьезной, непреодолимой (если отсутствуют рыбоподъемники или рыбоходы) препятствием для нерестового хода рыб.
В протоколе по проблемам воды и здоровья к Конвенции по охране и использованию трансграничных водотоков и международных озер [1] и в источнике [2] сказано, что вода имеет социальную, экономическую те экологическую ценность, и поэтому управление водохозяйственной деятельностью следует осуществлять таким образом, чтобы обеспечить наиболее удовлетворительное и устойчивое сочетание этих ценностей.
В докладе E/C.14 2000/2 [3] указано, что изменение природных гидрологических режимов вследствие сельскохозяйственной деятельности, водозабора, перенаправление вод, зарегулирование стока и загрязнение будет всегда вызывать появление экологических и экономических внешних факторов в районах, расположенных вниз по течению или низменных местностях. В этом же документе находим весьма ценное высказывание о том, что река должна течь: «все чаще звучат призывы к обеспечению сохранности местных ценностей, связанных с водотоками и водоемами, с целью не только охраны красоты природы и биологического разнообразия, но и для обеспечения продолжения использования их человеком в различных важных целях, что зависит от поддержания определенного уровня воды и ежегодных режимов затопления.

1.1. Характеристика изменений физико-химических параметров
Химические, температурные и физические изменения, которые претерпевает проточная вода, когда начинает задерживаться плотиной, могут серьезно загрязнить водохранилище и реку вниз по течению. Степень ухудшения качества воды, как правило, связана со временем водообмена в водном объекте – его емкостью по отношению к количеству воды, поступающей в него.
Вода, выпущенная из глубины водохранилища за высокой плотиной, обычно прохладнее летом и теплее зимой, чем речная вода, в то время как вода из выходных отверстий вблизи верха водохранилища будет иметь тенденцию быть теплее, чем речная вода в течение всего года. Потепление или охлаждение воды в реке влияет на количество растворенного в ней кислорода и взвешенных веществ и на химические реакции в водной среде. Изменение естественных сезонных изменений температуры также может нарушить жизненные циклы водных существ – размножение, «вылупление» и метаморфизация личинок, например, часто зависят от тепловых сигналов [33].
Относительно теплые зимние выбросы из водоемов в холодном климате будут препятствовать образованию льда вниз по течению. Сокращение ледяного покрова делает опасным или невозможным использование замерзших рек в качестве зимних дорог: например, в северной Скандинавии возведение плотины означает, что саамы (местные жители) больше не могут использовать многие из своих традиционных зимних оленеводческих маршрутов, которые идут по замерзшим рекам. Холодный зимний воздух, проходящий над относительным теплом некоторых огромных российских и канадских водоемов, может вызвать длительные периоды ледяного тумана [33].
Так как плотины в жарком климате сильно увеличивают площадь поверхности воды, подверженную воздействию солнечных лучей, это может привести к испарению огромного количества воды, которая в основном теряется в реке ниже по течению. В районе 170 кубических километров воды испаряется из мировых водохранилищ каждый год, более семи процентов от общего количества пресной воды, потребляемой всеми видами деятельности человека. Среднегодовое количество воды, испаряемой из водохранилища Насер за Высокой Асуанской плотиной, составляет 11,2 кубических километров, что составляет около десяти процентов воды, хранящейся в водохранилище, и примерно равно общему объему забора воды для бытового и коммерческого использования по всей Африке.
Огромное количество испарений из водохранилищ реки Колорадо (около одной трети стока реки) является основной причиной, почему соленость реки возросла до разрушительных и дорогостоящих уровней. Высокие концентрации соли являются ядовитыми для водных организмов и разъедают трубы и оборудование: повышенная соленость реки Колорадо обходится водопользователям Южной Калифорнии в миллионы долларов в год [33].
Почва в засушливых в западных районах США часто естественно засолена и становится более соленой при орошении. Оросительная вода просачивается через почву, собирая соли, а затем возвращается в реку. На таких реках, как Колорадо, одну и ту же воду можно использовать для полива 18 раз. В результате испарения в водохранилище уровень соли в реке повышается. Соленость воды в Имперской плотине, расположенной к северу от мексиканской границы, увеличилась в среднем с 785 частей на миллион (промилле) в период с 1941 по 1969 год до более 900 промилле в 1990 году. По прогнозам, она превысит 1200 промилле после года 2000. Стандарт США для питьевой воды составляет 500 промилле.
В начале 1960-х годов всплеск уровня соли вызвал резкое снижение урожайности на полях, орошаемых колорадской водой, в Мехикали, одном из самых продуктивных сельскохозяйственных районов Мексики. Мехико выступил с официальным протестом против Вашингтона, и, наконец, в 1974 году две страны подписали соглашение, согласно которому соленость реки Колорадо на границе с Мексикой не должна превышать 1024 промилле. «Программа по контролю солености» Бюро мелиорации, начатая после заключения договора с Мексикой, обошлась налогоплательщикам в 1993 году в 660 млн. долл. США. Центральным элементом этой программы является технологическое решение, отнимающее деньги – одно из крупнейших и самых дорогих опреснений в мире. Завод, построенный в Юме, штат Аризона, стоил 256 миллионов долларов. Он начал свою работу в мае 1992 года, но был вновь закрыт в январе 1993 года после того, как в результате наводнения были разрушены некоторые стоки, которые принесли соленую воду. Сокращение федерального бюджета означает, что завод может больше никогда не запуститься [33].
В источнике [34] подчеркивается, что за последние 100 лет Соединенные Штаты стали мировыми лидерами в строительстве плотин. Правительство блокировало и использовало реки для различных целей: гидроэнергетики, ирригации, борьбы с наводнениями и хранением воды.
Инженерный корпус армии США внес в каталог не менее 90000 дамб высотой более шести футов, которые блокируют реки и ручьи. Кроме этого, существуют десятки тысяч дополнительных небольших плотин.
Хотя плотины могут принести пользу обществу, они также наносят значительный ущерб рекам. Плотины истощают рыбный промысел, вызывают деградацию речных экосистем и изменяют рекреационные возможности почти на всех реках.
Сегодня многие плотины, которые когда-то были в эпицентре существования населенных пунктов, теперь устарели, небезопасны или больше не служат своим намеченным целям [34].
Например, дамбы блокируют миграцию рыбы. Это ограничивает их способность получать доступ к нерестилищам, искать пищевые ресурсы и избегать хищничества. Структуры прохода рыбы могут позволить проценту рыбы проходить вокруг плотины, но их эффективность снижается в зависимости от вида рыбы и количества плотин, которые должна пройти рыба.
Водные организмы, включая рыбу, такую как лосось и речная сельдь, зависят от устойчивых потоков, чтобы направлять их.
Застойные водоемы дезориентируют мигрирующих рыб и могут значительно увеличить продолжительность их миграции.
Дамбы также могут изменить время потоков. Например, некоторые гидроэлектростанции удерживают, а затем сбрасывают воду для выработки электроэнергии в периоды пиковой нагрузки.
Эти нерегулярные выбросы разрушают естественные сезонные колебания потока, которые запускают естественные циклы роста и размножения у многих видов [34].
Плотины меняют способ функционирования рек. Они могут задерживать отложения, закапывая каменные русла рек, где рыба нерестится.
Гравий, бревна и другие важные объекты питания и среды обитания также могут оказаться в ловушке за плотинами. Это отрицательно влияет на создание и поддержание более сложной среды обитания (например, риффы, пулы) вниз по течению.
Плотины, которые забирают воду для производства электроэнергии и других целей, также удаляют воду, необходимую для здоровых экосистем в потоке. Пиковая мощность может привести к резким изменениям уровня воды в резервуаре. Это может привести к тому, что участки под плотинами будут полностью обезвожены [34].
В настоящее время, согласно [35], существуют два противоположных мнения о влиянии строительства плотины на водную среду рек. Некоторые исследования показали, что строительство плотин ослабило качество воды и способность самоочищения воды по таким причинам, как разложение растительности, выделение фосфора из отложений, медленное распространение загрязняющих веществ и т. д. Другие исследования показали, что из-за грязного строительства концентрация компонентов качества воды несколько снижается из-за длительного времени пребывания в гидросистеме и воздействия химических веществ водными организмами или популяциями, которые поглощают воду, а также разбавлением в результате сточных вод зимнего снегопада и весенних дождей. Тем не менее в этих исследованиях уделялось внимание только разовому изменению качества воды и способности самоочищения воды периодов до плотины и периода после сооружения плотины. Были найдены возможные выводы, такие как качество воды становится лучше или хуже, а плотина оказывает положительное или отрицательное влияние. Не было более конкретных данных об изменениях качества воды и способности самоочищения воды с периода до наличия плотины, до первого, а затем до следующих нескольких лет после того, как плотина была построена. В то же время сравнение между различными участками реки также не упоминалось.
Фактически, это динамичный процесс, когда строительство и эксплуатация плотины оказывают положительное или отрицательное воздействие на водную среду речных экосистем разных сегментов в разные периоды. Это исследование сделало более конкретную работу, чем другие, сравнив изменение качества воды и самоочищение воды на трех участках реки. Результаты показали, что строительство и эксплуатация плотин по-разному влияли на качество воды и пропускную способность самоочищения водохранилища, участка ниже плотины и участка ниже по течению в течение трех периодов. Таким образом, необходимо учитывать полные временные и пространственные характеристики воздействия развития плотины на речную экосистему [35].
Конструкция плотин трансформирует типы участков с изменением состояния речного стока и приводит к изменению качества воды и способности самоочищения воды. Однако в прошлом этому уделялось мало внимания. Статья [35] представила проблему и провела элементарное исследование, чтобы внести новую идею и метод для управления рекой.
Водохранилище является чувствительным регионом и привлекает больше внимания, чем другие разногласия, поэтому Манванское водохранилище было взято как пример для прогнозирования долгосрочного влияние строительства и эксплуатации плотины на качество воды в водохранилище и способность к самоочищению воды. Из-за ограниченных данных, было изучено только влияние развития плотины в течение приблизительно 20 лет от периодов до плотины до момента её появления. Исследование ясно показало, что качество воды и способность к самоочищению воды в водохранилище Манван становятся хуже.
Однако вместе с плотиной все больше загрязняющих веществ будет накапливаться и откладываться в водохранилище. В работе [35] прогнозируют, что в течение долгого времени качество воды и способность самоочищения воды в водохранилище будут непрерывно снижаться вплоть до худшего уровня. Прогноз соответствовал выводу WCDreport, в котором указывалось, что крупные плотины в целом оказывают более негативное, чем положительное, воздействие на речную экосистему и приводят к необратимой потере экосистем, включая ухудшение качества воды (Всемирная комиссия по плотинам 2000). Таким образом, под воздействием строительства и эксплуатации плотины качество воды и способность водоочистки водохранилища будут меняться в худшую сторону.
Когда естественная река «дополнялась» плотиной, качество воды и способность самоочищения воды становилось худшим без реабилитации в течение длительного времени. Выводы [35] основаны только на исследовании Манванского водохранилища и ограниченных данных о качестве воды.
Интересным представляется сравнительная оценка Волгоградского водохранилища с точки зрения энергетики, ведь первоочередная задача его сооружения состояла в электрификации близлежащих населенных пунктов.
Так, для определения эффективности любого гидротехнического объекта в научной тематической литературе существует показатель удельной площади подтопления, то есть отношение площади водного зеркала водохранилища ГЭС к его установленной мощности [4].
Приведем некоторые данные площадей и мощностей ГЭС России [5] (табл.1).
Таблица. 1 – Эффективность гидротехнических сооружений
Название ГЭС Мощность ГЭС, МВт Площадь водохранилища, км2 Удельная площадь затопления, км2/МВт
Учурская 365 4,70 0,01
Нижнебогучанская 482 28,7 0,06
Адычанская 500 157690 3,15
Шуйская 780 13400 0,17

Для Волгоградского водохранилища этот показатель составит 1,2 км2/МВт, что нельзя считать эффективным с энергетической точки зрения. Известно, что установленная мощность 23 гидроэнергоагрегатов Волжской ГЭС – 2563 МВт, средняя годовая выработка электроэнергии 10,3–11,1 млрд кВт·ч. Суммарный максимальный расход воды через все водосбросные сооружения гидроузла до 63,0 тыс. м3/с [15].
Приведенные расчеты еще раз доказывают неэффективность строительства гидроэлектростанций на равнинной территории, отталкиваясь от убытков, которые наносятся государству от затопления сельскохозяйственных земель, вреде рыбному хозяйству, прилегающим и водной экосистеме.
К косвенным факторам влияния относят локальные изменения климата, которое проявляется в повышении влажности воздуха и образованию частых туманов, уменьшению облачности в дневное время на акватории и среднегодовых сумм осадков, изменения направления ветра и его скорости [4].
Следует подчеркнуть, что многие из перечисленных негативных явлений является следствием не реализации самой идеи ГЭС, а неправильного проектирования, строительства и неправильного, неоптимального для природного и социально-экономического комплексов режима эксплуатации электростанции. Плотины ГЭС и их водохранилища по замыслу служат, в частности, для стабилизации и выравнивания сезонных и, хотя бы в какой-то степени, многолетних колебаний стока реки. Однако вопрос о том, действительно ли эта цель является мудрой и научной обоснованной, остается открытым.
Однако в научной литературе существуют и другие точки зрения. По исследованиям авторов [4, 6, 7], нерациональное перераспределение речного стока качественно меняет гидрологический режим: почва не насыщаются весенними паводками, мелеют и исчезают озера вдоль рек. Наводнения и паводки – это необходимость для функционирования экосистем и их компонентов, которые почти полностью нейтрализуются водохранилищами. Рисунок 1 демонстрирует изменение гидрологического режима реки Дон весной и выравнивание ее стока в результате зарегулирования русла Цимлянским водохранилищем.

Рисунок 1 – Среднемесячный сток реки Дон в природных и зарегулированных условиях: а – 1891-1952, б – 1952-1965 [19]

Важным вопросом, который необходимо осветить, является формулировка процесса обеспечения стока, необходимого для функционирования речной экосистемы. Обычно оно выглядит так: объем водохранилища должен быть достаточным для обеспечения гарантированного санитарного стока (минимального необходимого хозяйственного сброса) воды в маловодный период. В такой формулировке река фактически обречена на медленную гибель, поскольку функционирование любой природной системы имеет динамический характер, года многоводные меняются маловодными, и гидробиота уже привыкла к этой цикличности. Когда же мы постоянно, юридически закрепив такое право, будем держать экосистему на минимуме, то это конечно приведет к ее структурных и функциональных изменений ниже по течению. Поэтому, важным считается в любом случае первоочередное право удовлетворения потребностей отдавать компонентам речной системы, при обеспечении определенного уровня разовых паводковых чисток русла реки.
По [8] санитарный попуск – это минимальные затраты воды, которые обеспечивают соблюдение нормативов качества воды и благоприятные условия водопользования в нижнем бьефе водохранилища.
Санитарный попуск (environmental flows) мировым сообществом сейчас толкуется гораздо шире – как величина, сроки и качество водных потоков, необходимых для поддержания пресноводных и устьевых (эстуарных, лиманных) экосистем, обеспечения средств для человеческого существования и благополучия, зависящего от этих экосистем [9].
Выход из этой ситуации возможен при условии совершенствования законодательства, когда, в частности, будет норма, строго и четко регулирующая отношения в сфере водопользования в период низкой межени на реках и не позволит отдавать в пользование одному или нескольким субъектам хозяйствования русловые водохранилища, отдавая приоритет природной составляющей экономическому развитию.